嵌入式系统构建：从硬件到开发技术

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"该资源是一本关于嵌入式系统构建的教材，源自清华大学自动化系，出版于2003年1月。书中详细介绍了嵌入式系统的硬件构成，包括嵌入式处理器（如EMPU、MCU、DSP和SoC）、存储器（ROM和RAM）、输入输出设备（如液晶显示、触摸屏、语音技术和键盘）、电源转换与管理，以及相关的硬件开发技术，如接口技术（并行、串行、USB、PCMCIA、CF、红外等）、总线（ISA、PCI、I2C、SPI、PC104、CAN）和调试编程技术。此外，还提供了一个嵌入式系统开发示例——EZ开发板，详细解析了其系统性能和硬件设计。" 在嵌入式系统构建中，硬件是基础，嵌入式处理器是核心。EMPU（Embedded Microprocessor Unit）适用于需要较高处理能力的场合，MCU（Microcontroller Unit）集成了CPU、内存和外围接口，适合资源有限但需要集成控制的项目。DSP（Digital Signal Processor）专为数字信号处理优化，常用于音频、视频等领域。SoC（System On Chip）将整个系统集成在单个芯片上，降低了成本和功耗。存储器部分，ROM（Read-Only Memory）存储固定不变的数据，而RAM（Random Access Memory）用于临时存储运行时数据。输入输出设备如液晶显示和触摸屏用于用户交互，语音技术则提供了声音的输入和输出。键盘是常见的输入设备，电源转换与管理涉及电源IC的选择，确保系统稳定供电。接口技术涵盖了多种通信方式，如并行接口、串行接口、USB接口用于高速数据传输，PCMCI

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图 1.2. 工作时的导体层

表 1.3. 三种触摸屏技术的比较

触摸屏类型工作原理触摸方式安装方式透明度易用性

电阻式电压测量笔、手指点压显示屏前一般好

电容式电容耦合金属笔尖、手

指接触

显示屏前比电阻式好一般

电感式电磁谐振笔尖接近感

应

显示屏后好好

1.1.3.3. 语音输入输出技术

用户不断地要求所用的嵌入式装置更小、更轻便同时又更易于使用，能解决这三方面问

题的一种可行技术就是语音识别。这种技术由于去掉了传统的输入器件，故具有更小和更轻

便的特点。语音识别输入的实现可以在嵌入式处理器功能足够强大时用相应的软件实现，也

可以使用专用芯片增加一个硬件功能模块。前者对嵌入式系统硬件配置的要求较高，如处理

器的速度和存储器的容量等。后者则通过专门的 DSP 芯片来完成语音识别输入过程中的所

有运算工作，不会加重系统主处理器的负担。这种专用的语音识别芯片现在已经有多种产品

出现了。如 sensory 公司的语音识别芯片系列，内部采用神经网络技术来识别训练过的单词

或短语，准确度高于 99％。并且芯片高度集成化，减少了所需外部元器件的数目。可以快

速和方便地嵌入到现存的和新设计的产品中，适用于多种需要语音控制的嵌入式产品。

语音识别技术以识别方法来分，有模板匹配法、随机模型法和概率语法分析法。这三种

方法都属于统计模式识别方法。它的识别过程大致如下：首先选定语音的特征作为识别参数

的模板，然后采用一可以衡量未知模式和参考模式（即模板）的似然度的测量函数，最后选

用一种最佳准则及专家知识作为识别策略，对识别候选者作最后判决，得到最好的识别结果

作为输出。以识别范围来分，分为语音从属（speaker-dependent ）模式和语音独立

（speaker-independent）模式。语音从属意味着必须有培训系统，而且通常它只可识别培训

系统的人所讲的词。语音独立系统则可识别几乎所有讲话人的词。从目前水平来看，语音从

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属模式下的模板匹配法用得比较广泛。

语音识别技术在嵌入式系统上的使用，不仅可以通过声音命令来控制设备，还可将

输入的声音转换为文本，使得

用户就能用声音口述需要输入的文本。如果再加上语音合成

输出功能，就可以在嵌入式系统中实现书面语言和口头语言的双向转换，从而构成完整的语

音输入输出功能。

1.1.3.4. 键盘

键盘输入作为最常用的输入设备仍有其不可替代的作用。

首先，对传统键盘作一个简单的介绍。

z 传统键盘的介绍

键盘的结构通常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在不同的场合下，这两种键盘均

得到了广泛的应用。

线性键盘由若干个独立的按键组成，每个按键的一端与微机的一个 I/O 口相连。有多少

个键就要有多少根连线与微机的 I/O 口相连，因此，只适用于按键少的场合。

矩阵键盘的按键按 N 行 M 列排列，每个按键占据行列的一个交点，需要的 I/O 口数目

是 N+M，容许的最大按键数是 N×M。显然，矩阵键盘可以减少与微机接口的连线数，简

化结构，是一般微机常用的键盘结构。根据矩阵键盘的识键和译键方法的不同，矩阵键盘又

可以分为非编码键盘和编码键盘两种。

◇ 非编码键盘

非编码键盘主要用软件的方法识键和译键。根据扫描方法的不同，可以分为行扫描法、

列扫描法和反转法三种。

◇ 编码键盘

编码键盘主要用硬件来实现键的扫描和识别，通常使用 8279 专用接口芯片，在硬件上

要求较高。

z 新型键盘的硬件和软件实现原理

有些特殊情况下，在组成一个最小的单片机系统的过程中，由于通用的 I/O 口有限，而

又需要大量的按键输入，这就要求一种新的键盘结构，即用尽量少的 I/O 口实现尽可能多的

键盘输入。经过分析，实际上用 N+1 个 I/O 口，辅以适当的接口电路，是可以实现 N×N 个

按键的。现以 6 个端口实现 5×5 的按键为例来叙述。

1. 硬件实现

图 1.3.所示为用 6 个 I/O 口来实现 25 个按键的示意图。

图 1.3. 6 个 I/O 口实现的 5×5 按键矩阵的示意图

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表 1.4. 键盘扫描过程

P1 P2 P3 P4 P5 P6

说明

OH I I I I I

PORT1 被置成高电平输出，其他端口作为输入

H L L L L H

读入各端口的值，为 100001，与编码表进行比较，京判断

没有键按下，继续下一步

I OH I I I I

PORT2 被置成高电平输出，其他端口作为输入

L H H L L L

PORT2 和 PORT3 与 S12 相连，此时均为高电平，读入各端

口的值为 011000，与编码表比较，可以判断有键按下并且

键值唯一

P－PORT O－输出 I－输入 H－高电平 L－低电平

1.1.4. 电源转换与管理

电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者

要根据产品的要求来选择合适的电源 IC。为了合理地选择电源 IC，首先要了解各种电源 IC

及其特点。

1.1.4.1. 电源 IC 分类

根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。

它们各自都有一定的特点及适用范围，这里分别作一简介。

（1）线性稳压电源

线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电源的输入

电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。但近年来

开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器 IC，一般可达到达输出 100mA 电流时，其压

差在 100mV 左右的水平（甚至于到 70-80mv 的水平），某些小电流的低压差线性稳压器其

压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可减少功耗。另外，

线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。

（2）开关稳压电源

在便携式电子产品中，开关稳压电源主要指 DC/DC 变换器。由于器件中有一个工作在

开关状态的晶体管（一般是 MOSFET），故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止两

种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，效率较高（一般可达 80～95%）、可

以输出大电流、静态电流小。随著集成度的提高，许多新型 DC-DC 转换器仅需要几只外接

电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

DC/DC变换器 IC 包括升压式（VOUT>VIN）、降压式（VOUT< VIN）和反相式（也叫

电压反转式）等电路。降压式主要用于工作电流大于 1A 以上的场合，如笔记本式计算机等。

反相式 DC/DC 变换器的特点是可以获得负电压，并且可获得大于输入电压的负压，即

|-VOUT| >VIN，可输出较大的电流。但采用电荷泵电路来获得负压更为简单，并且有带线

性稳压输出的电荷泵 IC，所以电压反转式 DC/DC 变换器也很少用。

（3）电荷泵电源

电荷泵的工作原理是利用高频振荡器控制电容的充、放电，将能量由输入传给负载（输

出）。其特点是体积小，电路结构简单，可产生输入的反相或倍压输出。基本的电荷泵电路

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的成本较低，它的优点是无需电感，只需要几个外接电容器，体积较小，效率高达 95 %。

由於开关不停地动作，产生的噪声比较大，静态电流也比较大。另外，这种电路的输出电压

只能取输入电压的倍数，例如，用四个内部开关和一个外接电容器就能够产生 2 VIN、1/2 VIN

或-VIN 的输出。使用几个这样的充电泵可以得到其它倍数的输出电压，然而成本和静态电

流也会增加。所以，在传统的设计中，电荷泵很少直接地接到电源上，而是把它接在稳压器

後面，用它产生辅助电源，为某一个器件供电。

1.1.4.2. 电源 IC 的特点

由上节可见，电源 IC 种类繁多，它们的共同特点有：

（1）工作电压低

一般的工作电压为 3.0～3.6V。有一些工作电压更低，如 2.0、2.5、2.7V 等；也有一些

工作电压为 5V，还有少数 12V 或 28V 的特殊用途的电压源。

（2）工作电流不大

从几毫安到几安都有，但由于大多数嵌入式电子产品的工作电流小于 300mA，所以 30～

300mA 的电源 IC 在品种及数量上占较大的比例。

（3）封装尺寸小

近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，电源 IC 也不例外，主要有 SO 封装、SO

T-23 封装，μMAX 封装及封装尺寸最小的 SC-70 及最新的 SMD 封装等，使电源占的空间

越来越小。

（4）完善的保护措施

新型电源 IC 有完善的保护措施，这包括：输出过流限制、过热保护、短路保护及电池

极性接反保护，使电源工作安全可靠，不易损坏。

（5）耗电小及关闭电源功能

新型电源 IC 的静态电流都较小，一般为几十μA 到几百μA。个别微功耗的线性稳压

器其静态电流仅 1.1μA。另外，不少电源 IC 有关闭电源控制端功能（用电平来控制），在

关闭电源状态时 IC 自身耗电在 1μA 左右。由于它可使一部分电路不工作，可大大节省电

能。例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭接收电路；在未接收到信号时可关闭显

示电路等。

（5）有电源工作状态信号输出

不少便携式电子产品中有单片机，在电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百

分数时，电源 IC 有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复位。利用这个信号也可

以做成电源工作状态指示（当电池低电压时，有 LED 显示）。

（6）输出电压精度高

一般的输出电压精度为±2～4%之间，有不少新型电源 IC 的精度可达±0.5～±1%；并

且输出电压温度系数较小，一般为±0.3～±0.5mV/℃，而有一些可达到±0.1mV/℃的水平。

线性调整率一般为 0.05%～0.1%/V，有的可达 0.01%/V；负载调整率一般为 0.3～0.5%/mA，

有的可达 0.01%/mA。

（7）新型组合式电源 IC

升压式 DC/DC 变换器的效率高但纹波及噪声电压较大，低压差线性稳压器效率低但噪

声最小，这两者结合组成的双输出电源 IC 可较好地解决效率及噪声的问题。例如，数字电

路部分采用升压式 DC/DC 变换器电源而对噪声敏感的电路采用 LDO 电源。这种电源 IC 有

MAX710/711，MAX1705/1706 等。另一种例子是电荷泵+LDO 组成，输出稳压的电荷泵电

源 IC，例如 MAX868，它可输出 0～-2VIN 可调的稳定电压，并可提供 30mA 电流；MAX1673

稳压型电荷泵电源 IC 输出与 VIN 相同的负压，输出电流可达 125mA。

1.1.4.3. 电源 IC 选用指南

选择电源 IC 不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量及

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